Eiwitsynthese: van DNA naar eiwit

Eiwitten doen bijna al het werk in een cel: als enzym, als bouwstof (collageen, keratine), als transporteur (hemoglobine), als signaal (insuline) of als antistof. Een eiwit is een keten van aminozuren; de volgorde van die aminozuren bepaalt hoe de keten vouwt en dus wat het eiwit kan. Die volgorde ligt vast in een gen: een stuk DNA. Het idee dat informatie van DNA via RNA naar eiwit stroomt, heet het centrale dogma van de moleculaire biologie.

Het overzicht: transcriptie, bewerking en translatie

De scheiding tussen kern en cytoplasma is de reden dat er een boodschapper nodig is: het DNA blijft veilig in de kern, terwijl werkkopieën (messenger-RNA, mRNA) naar de ribosomen gaan. Waar die organellen liggen, lees je in celorganellen.

Eerst: hoe verschilt RNA van DNA?

RNA lijkt sterk op DNA, maar er zijn drie verschillen die je bij de eiwitsynthese steeds tegenkomt. RNA is enkelstrengs, het bevat de suiker ribose in plaats van desoxyribose, en het heeft de base uracil (U) in plaats van thymine (T). U paart net als T met A. Bij de eiwitsynthese spelen drie soorten RNA een rol:

• mRNA (messenger-RNA): de kopie van het gen, de ‘boodschap’;
• tRNA (transfer-RNA): kleine moleculen die elk één bepaald aminozuur dragen en met een anticodon aan het juiste codon binden;
• rRNA (ribosomaal RNA): vormt samen met eiwitten het ribosoom en koppelt de aminozuren aan elkaar.

Een uitgebreide vergelijking staat in DNA vs RNA.

Stap 1: transcriptie

Bij de transcriptie wordt één gen overgeschreven. Het enzym RNA-polymerase bindt aan de promotor, een regelgebied vóór het gen. Het enzym opent de DNA-dubbelhelix plaatselijk en gebruikt één van de twee strengen, de matrijsstreng (template), als mal. Tegenover elke base in de matrijsstreng wordt de complementaire RNA-nucleotide gezet: tegenover A komt U, tegenover T komt A, tegenover C komt G en tegenover G komt C.

Het RNA-polymerase leest de matrijsstreng in de richting 3′ → 5′ en bouwt het mRNA dus van 5′ naar 3′. Het resultaat heeft dezelfde volgorde als de andere DNA-streng, de coderende streng, alleen met U in plaats van T. Bij een terminator-volgorde laat het enzym los. Anders dan bij de DNA-replicatie wordt dus niet het hele chromosoom gekopieerd, maar alleen het gen dat de cel op dat moment nodig heeft, en vaak in veel kopieën tegelijk.

Stap 2: bewerking en splicing

Bij eukaryoten is het eerste transcript (pre-mRNA) nog niet klaar voor gebruik. Er gebeuren drie dingen in de kern:

1. Aan het 5′-uiteinde komt een cap (een aangepaste G-nucleotide). Die helpt het ribosoom het mRNA te herkennen.
2. Aan het 3′-uiteinde komt een poly-A-staart van honderden A’s, die het mRNA beschermt tegen afbraak.
3. Bij splicing worden de introns (niet-coderende stukken) eruit geknipt en de exons aan elkaar gezet.

De meeste menselijke genen bestaan voor het grootste deel uit introns. Door alternatieve splicing, waarbij exons in verschillende combinaties worden samengevoegd, kan één gen meerdere varianten van een eiwit opleveren. Zo maken ongeveer 20 000 menselijke genen een veel groter aantal verschillende eiwitten. Bacteriën hebben geen introns en geen kern: daar begint de translatie al terwijl het mRNA nog wordt gemaakt.

De genetische code en de codontabel

Het mRNA wordt afgelezen in groepjes van drie basen: codons. Met vier basen zijn er 4 × 4 × 4 = 64 codons mogelijk. Daarvan coderen 61 voor een aminozuur en 3 voor ‘stop’ (UAA, UAG, UGA). Het codon AUG codeert voor methionine én is het startcodon: daar begint de translatie. Omdat er maar 20 aminozuren zijn, hebben de meeste aminozuren meerdere codons. De code is daardoor gedegenereerd (redundant), maar niet dubbelzinnig: elk codon betekent precies één ding. De code is bovendien vrijwel universeel: een bacterie leest hetzelfde codon als hetzelfde aminozuur als een mens. Daarom kan een bacterie met een menselijk gen menselijke insuline maken.

Zo lees je de tabel: zoek de eerste base van het codon in de linkerkolom, de tweede base bovenaan, en kies in dat vak de regel met de juiste derde base. Voorbeeld: GCA → rij G, kolom C → Ala (alanine).

Afkortingen: Ala alanine, Arg arginine, Asn asparagine, Asp asparaginezuur, Cys cysteïne, Gln glutamine, Glu glutaminezuur, Gly glycine, His histidine, Ile isoleucine, Leu leucine, Lys lysine, Met methionine, Phe fenylalanine, Pro proline, Ser serine, Thr threonine, Trp tryptofaan, Tyr tyrosine, Val valine. Let op: de tabel gebruikt mRNA-codons, dus met U. Krijg je een DNA-volgorde, zet die eerst om.

Stap 3: translatie

Een ribosoom bestaat uit een kleine en een grote subeenheid. De translatie verloopt in drie fasen:

1. Initiatie. De kleine subeenheid bindt aan het mRNA bij de cap en schuift op tot het startcodon AUG. Een tRNA met anticodon UAC en het aminozuur methionine bindt daar. Dan sluit de grote subeenheid aan.
2. Elongatie. Het volgende tRNA, met het anticodon dat past bij het volgende codon, komt binnen. Het ribosoom koppelt het aminozuur van het vorige tRNA met een peptidebinding aan het nieuwe aminozuur. Daarna schuift het ribosoom drie basen op; het lege tRNA laat los en wordt opnieuw beladen. Zo groeit de keten één aminozuur per codon.
3. Terminatie. Bij een stopcodon past geen tRNA. Een vrijmakingsfactor bindt, de keten komt los en het ribosoom valt uiteen in zijn subeenheden.

Op één mRNA werken vaak tientallen ribosomen tegelijk achter elkaar (een polysoom). Een ribosoom voegt enkele tot ongeveer twintig aminozuren per seconde toe; een gemiddeld eiwit van een paar honderd aminozuren is dus binnen ongeveer een minuut klaar. Eiwitten voor export of voor membranen worden gemaakt door ribosomen op het ruw ER en via het golgi-apparaat verder verwerkt.

Uitgewerkt voorbeeld: van DNA naar aminozuren

Gegeven is de matrijsstreng van een (kort) gen, gelezen van 3′ naar 5′:

Stap 1 — transcriptie. Zet tegenover elke base de complementaire RNA-base (A → U, T → A, C → G, G → C):

Stap 2 — translatie. Lees het mRNA 5′-AUG GCC UGG AAA GAG UAA-3′ met de codontabel af: Met – Ala – Trp – Lys – Glu. Het stopcodon levert geen aminozuur; het peptide is vijf aminozuren lang. Merk op dat het anticodon dezelfde letters heeft als de DNA-matrijsstreng, maar met U in plaats van T, en dat het mRNA gelijk is aan de coderende DNA-streng (5′-ATG GCC TGG AAA GAG TAA-3′) met U in plaats van T.

Controle met een mutatie. Verandert in de matrijsstreng CTC in CAC, dan wordt het codon GAG → GUG en verandert glutaminezuur in valine. Precies deze ene basenverandering veroorzaakt sikkelcelanemie. Meer over het effect van zulke veranderingen staat bij mutaties.

Welke eiwitten worden gemaakt? Genregulatie

Elke lichaamscel bevat hetzelfde DNA, maar een levercel maakt andere eiwitten dan een huidcel. Dat komt doordat genen aan- en uitgezet worden. De belangrijkste schakel is de transcriptie: transcriptiefactoren binden aan de promotor en regelgebieden en bepalen of RNA-polymerase aan de slag kan. Hormonen als cortisol en oestrogeen werken zo; ze zetten in hun doelcellen bepaalde genen aan. Daarnaast wordt de hoeveelheid eiwit geregeld door hoe lang het mRNA meegaat en hoe snel een eiwit weer wordt afgebroken. Bij bacteriën is het lac-operon het klassieke voorbeeld: de genen om lactose af te breken staan alleen aan als er lactose is.

Veelgestelde vragen

Verder lezen